42. Окисне фосфорилювання на рівні субстрату. Приклади цього процесу, пов'язані з гліколізом та циклом трикабонових кислот. Механізми субстратного фосфорилювання

Друга стадія – стадія генерації АТФ, в якій енергія окисних реакцій трансформується в енергію хімічного зв'язку АТФ механізмом реакції субстратного фосфорилювання.

Процес синтезу багатої енергією АТФ за безпосередньої участі субстрату, що окислюється (у даному випадку, 3-фосфогліцеринового альдегіду) називається окисним фосфорилюванням лише на рівні субстрату.

На другій стадії гліколізу гліцеральдегід-3-фосфат окислюється за участю ферменту фосфогліцеринальдегіддегідрогенази. В результаті окислення зв'язок між залишком фосфогліцеринової кислоти і ферментом стає макроергічною, яка спонтанно розпадається в присутності фосфорної кислоти з утворенням 1,3-дифосфогліцеринової кислоти (реакція 6), яка вступає далі у фосфотрансферазну реакцію з АДФ з утворенням АТФ кислоту (реакція 7).

ферменти: 6 – гліцеральдегідфосфат дегідрогеназу; 7 – фосфогліцераткіназа; 8 – фосфогліцеромутаза (мутаза); 9 – фосфопіруватгідратаза (енолаза); 10 - піруваткіназа; 11 - лактатдегідрогеназу; 11а - піруваткарбоксилаза; 11б - алкогольдегідрогеназу.

Реакції гліколізу, глікогенолізу та спиртового бродіння

3-Фосфогліцеринова кислота в результаті внутрішньомолекулярного переміщення фосфатної групи за участю ферменту фосфогліцерат-тази ізомеризується в 2-фосфогліцеринову кислоту (на схемі реакція 8).

Далі 2-фосфогліцеринова кислота за участю ферменту енолази перетворюється, втрачаючи воду, на енальну форму фосфопіровиноградної кислоти (фосфоенолпіруват) — високоенергетичної сполуки (реакція 9).

В результаті цієї реакції відбувається перерозподіл внутрішньомолекулярної енергії, і більша частина її виявляється сконцентрованою в макроергічному фосфатному зв'язку 2-фосфоенолпіровіноградної кислоти. Далі за участю піруваткинази 2-фосфоенолпіруват перетворюється на піровиноградну кислоту (піруват) (реакція 10). На цій стадії відбувається запасання енергії (синтез молекули АТФ) в процесі фосфорилювання на рівні субстрату.

Залежно від місця та умов протікання процесу в організмі, наявності чи відсутності в ньому тих чи інших ферментних систем обмін піровиноградної кислоти протікає по-різному. Якщо процес відбувається в анаеробних умовах, то піровиноградна кислота відновлюється до молочної кислоти (лактату) (реакція 11). Донором атомів водню при цьому служить відновлений НАДН . Н + , що утворився реакції дегідрування (реакція 6).

Реакція прискорюється специфічним ферментом - лактатдегід-рогеназою. В анаеробних умовах кожна молекула глюкозо-6-фосфату дає 2 молекули молочної кислоти. Якщо вихідним вуглеводом освіти глюкозо-6-фосфату, та був із нього — молочної кислоти, служить глюкоза, процес називають гліколізом. Якщо вихідним вуглеводом, що дає початок глюкозо-6-фосфату (через глюкозо-1-фосфат) і далі молочній кислоті, є глікоген, то процес називають глікогенолізом. Враховуючи, що у випадку як гліколізу, так і глікогенолізу на проміжних стадіях дихотомічного розпаду синтезується АТФ, процеси гліколізу та глікогенолізу служать засобом отримання організмом енергії в анаеробних умовах. Показано, що при гліколізі в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ акумулюється близько 35-40% всієї енергії, що звільняється. Інші 65-70% розсіюються у формі теплоти.

У деяких організмах, зокрема у дріжджових клітинах, міститься потужна декарбоксилаза піровиноградної кислоти, здатна в анаеробних умовах перетворювати піровиноградну кислоту на оцтовий альдегід та вуглекислий газ (реакція 11а). Оцтовий альдегід, що утворився, відновлюється за рахунок атомів водню відновленої форми НАДН . Н+ (реакція 11б). Цей процес отримав назву спиртового бродіння. Бродіння може протікати і в інших напрямах з утворенням інших спиртів та органічних кислот.

Біологія та медицина

Згідно з поширеними уявленнями, найдавніші форми життя, джерелом енергії для яких служили реакції субстратного фосфорилювання, використовували органічні сполуки зовнішнього середовища одночасно по двох каналах: як джерело енергії та джерела вуглецю. Поступове вичерпання таких сполук із довкілля поставило організми перед двома проблемами: пошуком нових джерел енергії та нових джерел вуглецю. У першому випадку це призвело до використання енергії світла, у другому - використання вуглекислоти.

Посилання:

• Сульфатне дихання
• Цикл Кребса - механізм, що має подвійне значення
• ATP: основні відомості
• Маслянокисле бродіння: загальні відомості
• Бродіння: енергетична сторона бродіння
• Еубактерії, що відновлюють сульфати: загальні відомості
• Еволюція мікроорганізмів
• Шляхи використання СО2 фотосинтезуючими еубактеріями
• АТФаза: походження оборотної протонної АТФази
• Гліколіз: забезпечення клітини енергією
• Хемоорганотрофні еубактерії: загальні відомості
• Виникнення анаеробної форми життя
• Захист молочнокислих бактерій від токсичності молекулярного кисню
• Thermoplasma acidophilum
• Архебактерії без клітинної стінки

Субстратне фосфорилювання

Субстратне фосфорилювання - Характерна для всіх живих організмів реакція синтезу АТФ або ГТФ шляхом прямого перенесення фосфату (PO3) на АДФ або ГДФ із високоенергетичного проміжного продукту. У ході катаболічного окислення органічних сполук у живих клітинах неорганічний фосфат переноситься на органічну речовину з утворенням багатих на енергію молекул, з яких він переноситься на АДФ або ГДФ. При цьому перенесення може відбуватися лише з молекул із досить високим потенціалом перенесення груп. Енергія гідролізу хімічних зв'язків таких молекул повинна бути вищою за енергію гідролізу АТФ, щоб за рахунок енергетичного сполучення забезпечити синтез АТФ з АДФ і Фн. До таких молекул з високим потенціалом перенесення груп належать фосфоенолпіруват, 1,3-дифосфогліцерат, ацильні похідні коферменту A та креатинфосфат.

Пов'язані поняття

Макроергічні молекули (макроерги) - біологічні молекули, які здатні накопичувати та передавати енергію в ході реакції. При гідролізі одного зі зв'язків вивільняється більше 20 кДж/моль. За хімічною будовою макроерги – найчастіше ангідриди фосфорної та карбонових кислот, а також слабких кислот, якими є тіоли та єноли.

Убіхінол - відновлена ​​форма убіхінону.Несе два додаткові електрони і два протони. Фактично убихинол можна як убихинон, який приєднав себе молекулу водню.

Фотофосфорилування - процес синтезу АТФ з АДФ за рахунок енергії світла. Як і у випадку окисного фосфорилювання, енергія світла витрачається на створення протонного градієнта на мембрані тилакоїдів або клітинної мембрани бактерії, який потім використовується синтезою АТФ. Фотофосфорилювання – дуже давня форма фотосинтезу, яка є у всіх фототрофних еукаріотів, бактерій та архей. Розрізняють два типи фосфорилювання - циклічне, пов'язане з циклічним потоком електронів в електронно-транспортній.

Аденозиндифосфат (АДФ) - нуклеотид, що складається з аденіну, рибози та двох залишків фосфорної кислоти. АДФ утворюється внаслідок перенесення кінцевої фосфатної групи Аденозинтрифосфату (АТФ). АДФ бере участь в енергетичному обміні у всіх живих організмах, з нього утворюється АТФ шляхом фосфорилювання з витратами енергії (субстратне фосфорилювання, окисне фосфорилювання або фотофосфорилювання при фотосинтезі).

Окислювальне декарбоксилювання пірувату - біохімічний процес, що полягає в відщепленні однієї молекули вуглекислого газу (СО2) від молекули пірувату та приєднання до декарбоксильованого пірувату коферменту А (КоА) з утворенням ацетил-КоА; є проміжним етапом між гліколізом та циклом трикарбонових кислот. Декарбоксилювання пірувату здійснює складний піруватдегідрогеназний комплекс (ГДК), що включає в себе 3 ферменти і 2 допоміжні білки, а для його функціонування.

Оксалоацетат, щавлевооцтова кислота (HO2C-C(O)-CH2-CO2H) - органічна сполука, чотиривуглецева двоосновна кетокислота. Існує як таутомера HO2C-C(OH)=CH-CO2H.

Кліткове чи тканинне дихання — сукупність біохімічних реакцій, які у клітинах живих організмів, у яких відбувається окислення вуглеводів, ліпідів і амінокислот до вуглекислого газу та води. Вивільнена енергія запасається в хімічних зв'язках макроергічних сполук (АТФ, яких в результаті процесу утворюється 38 та ін) і може бути використана за необхідності. Входить до групи процесів катаболізму. Про фізіологічні процеси транспортування до клітин багатоклітинних.

Цикл сечовини або орнітиновий цикл (цикл Кребса-Гензелейта) - послідовність біохімічних реакцій ссавців і деяких риб, в результаті якої продукти розпаду, що містять азот, перетворюються на сечовину, яка в свою чергу виділяється нирками. У більшості випадків таким чином відбувається перетворення аміаку. У птахів та рептилій кінцевим продуктом виділення є не сечовина, а сечова кислота. Земноводні та більшість риб не перетворять аміак на інші сполуки, оскільки внаслідок.

Аденозинмонофосфат (AМФ, adenosine monophosphate) 5'-аденилат, це ефір фосфорної кислоти та аденозинового нуклеозиду. Молекула АМФ містить фосфатну групу, цукор рибозу та азотисту основу аденін (A). АМФ відіграє у багатьох клітинних процесах обміну речовин. АМФ також є компонентом синтезу РНК.

Трансамінування - біохімічна ферментативна реакція оборотного перенесення аміногрупи з амінокислоти на кетокислоту без проміжного утворення аміаку.

Коферменти, або коензими - малі молекули небілкової природи, що специфічно з'єднуються з відповідними білками, званими апоферментами, і які грають роль активного центру або простетичної групи молекули ферменту.

Відновлювальний пентозофосфатний цикл, або цикл Кальвіна, — серія біохімічних реакцій, що здійснюється при фотосинтезі рослинами (у стромі хлоропластів), ціанобактеріями, прохлорофітами і пурпурними бактеріями, а також багатьма бактеріями-хемосинтетиками, є найбільш поширеною. Цикл Кальвіна названий на честь американського біохіміка Мелвіна Кальвіна (1911-1997). Часто використовуються альтернативні назви, що вказують на роль колег Кальвіна у відкритті.

Нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат (НАДФ, NADP) - широко поширений в природі кофермент деяких дегідрогеназ - ферментів, що каталізують окисно-відновні реакції в живих клітинах. НАДФ бере на себе водень та електрони окислюваної сполуки та передає їх на інші речовини. У хлоропластах рослинних клітин НАДФ відновлюється при світлових реакціях фотосинтезу і забезпечує воднем синтез вуглеводів при темнових реакціях. НАДФ, - кофермент, який відрізняється від НАД.

Цикл трикарбонових кислот (скор. ЦТК, цикл Кребса, цитратний цикл, цикл лимонної кислоти) - центральна частина загального шляху катаболізму, циклічний біохімічний процес, в ході якого ацетильні залишки (СН3СО-) окислюються до діоксиду вуглецю (CO2). При цьому за один цикл утворюється 2 молекули CO2, 3 НАДН, 1 ФАДH2 та 1 ГТФ (або АТФ).Електрони, що знаходяться на НАДН та ФАДH2, надалі переносяться на дихальний ланцюг, де в ході реакцій окисного фосфорилювання утворюється АТФ.

ФАД - флавінаденіндинуклеотид - кофермент, що бере участь у багатьох окислювально-відновних біохімічних процесах. ФАД існує у двох формах — окисленої та відновленої, його біохімічна функція, як правило, полягає у переході між цими формами.

Дезамінування – процес видалення аміногруп від молекули. Ферменти, що каталізують дезамінування називають деаміназами.

Оксидоредуктази (КФ1) - окремий клас ферментів, що каталізують лежачі в основі біологічного окислення реакції, що супроводжуються перенесенням електронів з однієї молекули (відновника - акцептора протонів або донора електронів) на іншу (окислювач - донор протонів або акцептор електронів).

Ацетогенез - процес, в результаті якого ацетат виходить з CO2 і донора електронів (наприклад, H2, CO, форміат, і т. д.), що здійснюється анаеробними бактеріями в послідовності біохімічних реакцій відновного ацетил-КoA шляху (Шлях Вуда - Льюнгдаля). Група різних видів бактерій, здатних до ацетогенезу, називаються ацетогенами. Деякі ацетогени здатні синтезувати ацетат автотрофно, з діоксиду вуглецю та водню. Сумарна реакція синтезу автотрофного ацетату.

Пентозофосфатний шлях (пентозний шлях, гексозомонофосфатний шунт, шлях Варбурга - Діккенса - Хорекера) - альтернативний шлях окислення глюкози (поряд з гліколізом і шляхом Ентнера - Дудорова), включає окислювальний і неокислювальний етапи.

Зворотний цикл Кребса, також відомий як зворотний цикл трикарбонових кислот, або цикл Арнона - послідовність хімічних реакцій, яку деякі бактерії використовують для синтезу органічних сполук з діоксиду вуглецю та води.

Субстрат в біохімії - вихідна речовина, що перетворюється ферментом в результаті специфічної фермент-субстратної взаємодії в один або кілька кінцевих продуктів. Після закінчення каталізу та вивільнення продукту реакції активний центр ферменту знову стає вакантним і може пов'язувати інші молекули субстрату.

Бета-окислення (β-окислення), також цикл Кноопа - Лінена, - метаболічний процес деградації жирних кислот. Свою назву процес отримав по 2-му вуглецевому атому (С-3 або β-положення) від карбоксильної групи (СООН) жирної кислоти, який піддається окисленню і послідовному відділенню від молекули. Продуктами кожного циклу - окислення є ФАДH2, НАДH і ацетил-КоА. Реакції β-окислення і подальшого окислення ацетил-КоА в циклі Кребса є одним з основних джерел енергії для.

Зв'язування вуглецю - загальна назва сукупності процесів, при яких вуглекислий газ CO2 перетворюється на органічні речовини. Такі процеси використовують автотрофи, тобто організми, які самі виробляють необхідні органічні речовини. Зокрема, процес зв'язування вуглецю є складовою фотосинтезу.

Фотодихання (гліколатний шлях, С2-фотосинтез) - виділення вуглекислого газу, що стимулюється світлом, і поглинання кисню у рослин переважно з С3-типом фотосинтезу.Також під фотодиханням розуміють біохімічний шлях, пов'язаний з регенерацією однієї молекули 3-фосфогліцеринової кислоти (С3) з двох молекул гліколевої кислоти (С2) і лежить в основі вищеописаного газообміну. Наявність біохімічного механізму фотодихання обумовлено значною оксигеназною активністю РуБісКО, ключового ферменту.

Гексокіназа (АТФ-залежна D-гексоза-6-фосфотрансфераза) (КФ 2.7.1.1) - цитоплазматичний фермент класу трансфераз, підкласу фосфотрансфераз, перший фермент шляху гліколізу. На відміну від глюкокінази, константа Міхаеліса гексокінази дорівнює 0,1 ммоль/л, отже, гексокіназа, локалізована в клітинах більшості тканин організму людини, буквально «виловлює» глюкозу з плазми крові, тоді як глюкокіназа каталізує реакцію. Відповідно.

Простетична група - небілковий (і не похідний від амінокислот) компонент, ковалентно пов'язаний з білком, який виконує важливу роль у біологічній активності білка. Простетичні групи можуть бути органічні (вітаміни, вуглеводи, ліпіди) або неорганічні (наприклад, іони металів).

Гліцеральдегід (гліцераль, гліцериновий альдегід, гліцерозу, 2,3-дигідроксипропаналь) - моносахарид з групи тріоз з емпіричною формулою C3H6O3, належить до альдозів. Є найпростішим представником альдоцукорів (альдоз) та єдиним цукром із групи альдотріоз.

Глутатіон (2-аміно-5-5-оксопентаноевая кислота, англ. glutathione, GSH) - це трипептид γ-глутамілцистеінілгліцин. Глутатіон містить незвичайний пептидний зв'язок між аміногрупою цистеїну та карбоксильною групою бічного ланцюга глутамату.Значення глутатіону у клітині визначається його антиоксидантними властивостями. Фактично глутатіон не тільки захищає клітину від токсичних вільних радикалів, а й загалом визначає окиснювально-відновні характеристики внутрішньоклітинного середовища.

Нітрогеназа (КФ 1.18.6.1) – комплекс ферментів (мультифермент), що здійснює процес фіксації атмосферного азоту. Широко поширений у бактерій та архей, тоді як усі еукаріоти його позбавлені.

Альдолаза (фруктозобісфосфат-(фруктозодифосфат)-альдолаза) — фермент, що каталізує перетворення фруктозо-1,6-дифосфату на дигідроксиацетонфосфат і гліцеральдегід-3-фосфат у процесі гліколізу. Фермент грає найважливішу роль енергетичному обміні.

Залишок у біохімії та молекулярній біології - структурна одиниця біополімеру, що складається з амінокислот та цукрів; частина мономеру, яка залишається незмінною після включення їх у біополімер. Наприклад, залишками прийнято називати амінокислотні ланки, що входять до складу пептиду. Залишки вже не є амінокислотами, оскільки в результаті реакції конденсації вони втратили по одному атому водню з аміногрупи і гідроксил, що входить до складу карбоксильної групи. Крім того, залишками також вважаються.

Анаеробне дихання - біохімічний процес окислення органічних субстратів або молекулярного водню з використанням дихальної ЕТЦ як кінцевий акцептор електронів замість O2 інших окислювачів неорганічної або органічної природи. Як і у випадку аеробного дихання, вільна енергія, що виділяється в ході реакції, запасається у вигляді трансмембранного протонного потенціалу, що використовується АТФ-синтазою для синтезу АТФ.

Оксидази - окисні ферменти класу оксидоредуктаз.В даний час знайдено дуже багато різноманітних окислювальних ферментів, як рослинного, так і тваринного походження.

Пластоціанін - мідьмісткий білок, залучений в транспорт електронів від фотосистеми II до фотосистеми I. Цей мономерний білок, що складається у більшості судинних рослин з 99 амінокислот, має молекулярну масу близько 10,5 кДа.

Піруватдегідрогеназний комплекс, ГДК (англ. Pyruvate dehydrogenase complex, PDH, PDC) — білковий комплекс, що здійснює окислювальне декарбоксилювання пірувату. Він включає три ферменти і два допоміжні білки, а для його функціонування необхідні п'ять кофакторів. (ТРР), FAD та ліпоєва кислота (ліпоат)).

Кофактор — небілкова (і не похідна від амінокислот) сполука (часто іон металу), яка потрібна білку для його біологічної діяльності.

Хеміосмос - біохімічний механізм, за допомогою якого здійснюється перетворення енергії ланцюга перенесення електронів на енергію АТФ. Включає зміну електрохімічного потенціалу клітинної мембрани.

Мембранний транспорт - транспорт речовин крізь клітинну мембрану в клітину або з клітини, що здійснюється за допомогою різних механізмів - простої дифузії, полегшеної дифузії та активного транспорту.

Дихальний ланцюг переносу електронів, а також електрон-транспортний ланцюг (скор. ЕТЦ, англ. ETC, Electron transport chain) - система трансмембранних білків і переносників електронів, необхідних для підтримки енергетичного балансу. ЕТЦ підтримує баланс рахунок перенесення електронів і протонів з НАД∙Н і ФАДН2 в акцептор електронів. У разі аеробного дихання акцептор може бути молекулярний кисень (О2). У разі анаеробного дихання акцептором можуть бути NO3-, NO2-, Fe3+, фумарат, диметилсульфоксид.

Активні форми кисню (АФК, реактивні форми кисню, РФК, англ. Reactive oxygen species, ROS) - включають іони кисню, вільні радикали та перекису як неорганічного, так і органічного походження. Це зазвичай невеликі молекули з винятковою реактивністю завдяки наявності неспареного електрона на зовнішньому електронному рівні.

Окислювальне фосфорилування - метаболічний шлях, при якому енергія, що утворилася при окисленні поживних речовин, запасається в мітохондріях клітин у вигляді АТФ. Хоча різні форми життя Землі використовують різні поживні речовини, АТФ є універсальним з'єднанням, у якому запасається енергія, необхідна інших метаболічних процесів. Майже всі аеробні організми здійснюють окисне фосфорилювання. Ймовірно, поширення цього метаболічного шляху.

Глікогеногенез - метаболічний шлях синтезу глікогену з глюкози, що відбувається з витратою енергії у вигляді ATP та UTP.Глікогеногенез відбувається у всіх тканинах тварин, проте в основному він має місце в печінці та м'язах. Синтез глікогену відбувається в період травлення (в абсорбтивний період, тобто 1-2 години після прийому вуглеводної їжі).

Аденозинтрифосфат або Аденозинтрифосфорна кислота (скор. АТФ, англ. АТР) - нуклеозидтрифосфат, що має велике значення в обміні енергії та речовин в організмах. сталося у 1929 році групою вчених Гарвардської медичної школи — Карлом Ломаном, Сайрусом Фіске та Йеллапрагадою Суббарао, а 1941 року Фріц Ліпман показав, що АТФ є основним.

Електрохімічний градієнт, або градієнт електрохімічного потенціалу, — сукупність градієнта концентрації та мембранного потенціалу, яка визначає напрямок руху іонів через мембрану. (мембранного потенціалу), або різниці зарядів, розташованих на протилежних сторонах мембрани.

Нікотинамідаденіндинуклеотид (англ. Nicotinamide adenine dinucleotide, сокр. NAD, НАД, устар. diphosphopyridine nucleotide, DPN, ДПН) — кофермент, що є у всіх живих клітинах. нуклеотидів в якості азотистої основи містить аденін, інший - нікотинамід.

Малатдегідрогеназа (Дегідрогеназа яблучної кислоти, англ. MDH, EC 1.1.1.37 - фермент, що каталізує окиснення S-малату (L-яблучна кислота) до оксалоацетату (щавлевооцтової кислоти).

Амфіфільність (інакше дифільність) — властивість молекул речовин (як правило, органічних), які мають одночасно ліофільні (зокрема, гідрофільні) та ліофобні (гідрофобні) властивості.

Пептидна зв'язок - вид амідного зв'язку, що виникає при утворенні білків і пептидів в результаті взаємодії α-аміногрупи (-NH2) однієї амінокислоти з α-карбоксильною групою (-СООН) іншої амінокислоти.

Автокаталіз - каталіз хімічної реакції однією з її продуктів або вихідних речовин. Одним із найбільш широко відомих прикладів автокаталізу є окислення щавлевої кислоти перманганатом.